程控交换与光纤通信31.

第3章通信用光器3.1光源3.2光检测器3.3光无源器件第3章通信用光器件•通信用光器件可以分为有源器件和无源器件两种类型。•有源器件包括光源、光检测器和光放大器，这些器件是光发射机、光接收机和光中继器的关键器件，和光纤一起决定着基本光纤传输系统的水平。•光无源器件主要有连接器、耦合器、波分复用器、调制器、光开关和隔离器等，这些器件对光纤通信系统的构成、功能的扩展和性能的提高都是不可缺少的。3.1光源•光源是光发射机的关键器件，其功能是把电信号转换为光信号。•目前光纤通信广泛使用的光源主要有半导体激光二极管(LD)和半导体发光二极管(LED)，有些场合也使用固体激光器，例如掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器。3.1.1半导体激光器工作原理和基本结构1.受激辐射和粒子数反转分布•有源器件的物理基础是光和物质相互作用的效应。•在物质的原子中，存在许多能级，最低能级E1称为基态，能量比基态大的能级Ei(i=2,3,4…)称为激发态。电子在低能级E1的基态和高能级E2的激发态之间的跃迁有三种基本方式(见图3.1)：图3.1能级和电子跃迁(a)受激吸收；(b)自发辐射；(c)受激辐射hf12初态E2E1终态E2E1(a)(b)hf12(c)hf12hf12•(1)在正常状态下，电子处于低能级E1，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上，这种跃迁称为受激吸收。电子跃迁后，在低能级留下相同数目的空穴，见图3.1(a)。•(2)在高能级E2的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自动地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射，见图3.1(b)。•(3)在高能级E2的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为受激辐射，见图3.1(c)。受激辐射是受激吸收的逆过程。电子在E1和E2两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件，即E2-E1=hf12(3.1)式中，h=6.628×10-34J·s，为普朗克常数，f12为吸收或辐射的光子频率。•受激辐射和自发辐射产生的光的特点很不相同。•受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光。•自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光。•如果N1N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光强按指数衰减，这种物质称为吸收物质。•如果N2N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。N2N1的分布，和正常状态(N1N2)的分布相反，所以称为粒子(电子)数反转分布。•如何得到粒子数反转分布状态：PN结上加正向电压。3.激光振荡和光学谐振腔粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件，但还不能产生激光。只有把激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。基本的光学谐振腔由两个反射率分别为R1和R2的平行反射镜构成(如图3.4所示)，并被称为法布里-珀罗(Fabry-Perot,FP)谐振腔。由于谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，可以用它产生的自发辐射光作为入射光。入射光经反射镜反射，沿轴线方向传播的光被放大，沿非轴线方向的光被减弱。反射光经多次反馈，不断得到放大，方向性得到不断改善，结果增益大幅度得到提高。图3.4激光器的构成和工作原理(a)激光振荡；(b)光反馈2n反射镜光的振幅反射镜L(a)初始位置光光强输出OXL(b)另一方面，由于谐振腔内激活物质存在吸收，反射镜存在透射和散射，因此光受到一定损耗。当增益和损耗相当时，在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡，其阈值条件为γth=α+211ln21RRL式中，γth为阈值增益系数，α为谐振腔内激活物质的损耗系数，L为谐振腔的长度,R1，R21为两个反射镜的反射率.激光振荡的相位条件为qnLnqL22或式中，λ为激光波长，n为激活物质的折射率，q=1,2,3…称为纵模模数。4.半导体激光器基本结构图3.5示出的双异质结(DH)平面条形结构。结构中间有一层厚0.1~0.3μm的窄带隙P型半导体，称为有源层；两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体，称为限制层。三层半导体置于基片(衬底)上，前后两个晶体解理面作为反射镜构成法布里-珀罗(FP)谐振腔。3.1.2半导体激光器的主要特性1.发射波长和光谱特性半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到价带时所释放的能量，这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV)，由式(3.1)得到hf=Eg式中，f=c/λ，f(Hz)和λ(μm)分别为发射光的频率和波长，c=3×108m/s为光速，h=6.628×10-34J·S为普朗克常数，1eV=1.6×10-19J，代入上式得到ggEEhc24.1不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg，因而有不同的发射波长λ。镓铝砷-镓砷(GaAlAs-GaAs)材料适用于0.85μm波段，铟镓砷磷-铟磷(InGaAsP-InP)材料适用于1.3~1.55μm波段。图3.7GaAlAs-DH激光器的光谱特性(a)直流驱动I=100mAI=85mAI=80mAI=75mAI=40mAI=35mAI=30mAI=25mAI=0mA光谱特性在直流驱动下，发射光波长有一定分布，谱线具有明显的模式结构。这种结构的产生是因为在不同能级之间电子的跃迁会产生连续波长的辐射光，其中只有符合激光振荡的相位条件式(3.5)的波长存在。这些波长取决于激光器纵向长度L，并称为激光器的纵模。•由图3.7(a)可见，随着驱动电流的增加，纵模模数逐渐减少，谱线宽度变窄。这种变化是由于谐振腔对光波频率和方向的选择，使边模消失、主模增益增加而产生的。当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，这种激光器称为静态单纵模激光器。•图3.7(b)是300Mb/s数字调制的光谱特性，由图可见，随着调制电流增大，纵模模数增多，谱线宽度变宽。•用FP谐振腔可以得到的是直流驱动的静态单纵模激光器，要得到高速数字调制的动态单纵模激光器，必须改变激光器的结构，例如采用分布反馈激光器就可达到目的。2.激光束的空间分布激光束的空间分布用近场和远场来描述。近场是指激光器输出反射镜面上的光强分布，远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。图3.8GaAlAs-DH条形激光器的近场图W＝10m20m20m30m30m50m10m近场图样0.1rad远场图样•图3.8是GaAlAs-DH激光器的近场图和远场图.•近场和远场是由谐振腔(有源区)的横向尺寸，即平行于PN结平面的宽度w和垂直于结平面的厚度t所决定，并称为激光器的横模。•由图3.8可以看出，平行于结平面的谐振腔宽度w由宽变窄，场图呈现出由多横模变为单横模；垂直于结平面的谐振腔厚度t很薄，这个方向的场图总是单横模。3.转换效率和输出光功率特性激光器的电/光转换效率用外微分量子效率ηd表示，其定义是在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光子数。)(edhfththIIpphfeIpeIIhfppththd/)(/)(由此得到•激光器的光功率特性通常用P-I曲线表示，图3.10是典型激光器的光功率特性曲线。当IIth时激光器发出的是自发辐射光；当IIth时，发出的是受激辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加。图3.10典型半导体激光器的光功率特性(a)短波长AlGaAs/GaAs;(b)长波长InGaAsP/InP109876543210020406080工作电流I/mA单面输出功率P/mW3.53.02.52.01.51.00.50050100150Ith工作电流I/mA输出功率P/mW(a)(b)4.频率特性在直接光强调制下，激光器输出光功率P和调制频率f的关系如图3-11.0.010.11100.1110100fr调制频率f/GHz相对光功率图3.11示出半导体激光器的直接调制频率特性。弛张频率fr是调制频率的上限，一般激光器的fr为1~2GHz。在接近fr处，数字调制要产生弛张振荡，模拟调制要产生非线性失真。5.温度特性对于线性良好的激光器，输出光功率特性图3.10所示。激光器输出光功率随温度而变化有两个原因：一是激光器的阈值电流Ith随温度升高而增大，二是外微分量子效率ηd随温度升高而减小。温度升高时，Ith增大，ηd减小，输出光功率明显下降，达到一定温度时，激光器就不激射了。图3.12PI曲线随温度的变化22℃30℃40℃50℃60℃70℃80℃P/mW54321050100I/mA不激射3.1.3分布反馈激光器普通激光器用FP谐振腔两端的反射镜，对激活物质发出的辐射光进行反馈，DFB激光器用靠近有源层沿长度方向制作的周期性结构(波纹状)衍射光栅实现光反馈。这种衍射光栅的折射率周期性变化，使光沿有源层分布式反馈，所以称为分布反馈激光器。图3.13分布反馈(DFB)激光器(a)结构；(b)光反馈衍射光栅有源层N层P层输出光光栅有源层ba∧(a)(b)如图3.13所示，由有源层发射的光，从一个方向向另一个方向传播时，一部分在光栅波纹峰反射(如光线a)，另一部分继续向前传播，在邻近的光栅波纹峰反射(如光线b)。如果光线a和b匹配，相互叠加，则产生更强的反馈，而其他波长的光将相互抵消。虽然每个波纹峰反射的光不大，但整个光栅有成百上千个波纹峰，反馈光的总量足以产生激光振荡。DFB激光器与FP激光器相比，具有以下优点：①单纵模激光器。由于FP谐振腔的长度较长，导致纵模间隔小，相邻纵模间的增益差别小，因此要得到单纵模振荡非常困难。DFB激光器的发射光谱主要由光栅周期Λ决定。Λ相当于FP激光器的腔长L，每一个Λ形成一个微型谐振腔。由于Λ的长度很小，所以m阶和(m+1)阶模之间的波长间隔比FP腔大得多，加之多个微型腔的选模作用，很容易设计成只有一个模式就能获得足够的增益。②谱线窄，波长稳定性好。由于DFB激光器的每一个栅距Λ相当于一个FP腔，所以布喇格反射可以看作多级调谐，使得谐振波长的选择性大大提高，谱线明显变窄，可以窄到几个GHz。由于光栅的作用有助于使发射波长锁定在谐振波长上，因而波长的稳定性得以改善。③动态谱线好。DFB激光器在高速调制时也能保持单模特性，这是FP激光器无法比拟的。尽管DFB激光器在高速调制时存在,谱线有一定展宽，但比FP激光器的动态谱线的展宽要改善一个数量级左右。啁啾:对于处于直接强度调制状态下的单纵模激光器，其载流子的密度随着注入电流的变化而变化。这样使得有源区的折射率指数发生变化，从而导致激光器谐振腔的光通路长度相应变化，结果致使震荡波长随着时间发生偏移，这就是啁啾现象④线性好。DFB激光器的线性非常好，因此广泛用于模拟调制的有线电视光纤传输系统中。3.1.4发光二极管发光二极管(LED)的工作原理与激光器(LD)有所不同，LD发射的是受激辐射光，LED发射的是自发辐射光。LED的结构和LD相似，大多是采用双异质结(DH)芯片，把有源层夹在P型和N型限制层中间，不同的是LED不需要光学谐振腔，没有阈值。图3.14两类发光二极管(LED)(a)正面发光型；(b)侧面发光型球透镜环氧树脂P层n层有源层发光区微透镜P型限制层n型限制层有源层波导层发光二极管有两种类型：一类是正面发光型LED，另一类是侧面发光型LED，其结构示于图3.14。和正面发光型LED相比，侧面发光型LED驱动电流较大，输出光功率较小，但由于光束辐射角较小，与光纤的耦合效率较高，因而入纤光功率比正面发光型LED大。和激光器相比，发光二极管输出光功率较小，谱线宽度较宽，调制频率较低。但发光二极管性能稳定，寿命长，输出光功率线性范围宽，而且制造工艺简单，价格低廉。因此，这种器件在小容量短距离系统中发挥了重要作用。发光二极管具有如下工作特性：图3.15LED光谱特性1300波长/nm△＝70nm相对光强(1)光谱特性。发光二极管发射